一、乳狀液織物整理劑產品
(一)柔軟劑
1、乳化油臘:
(1)硅油:將硅油用表面活性劑乳化,制得的產品有,甲基硅油、羥基硅油。用乳液聚合方法得到的有氨基硅油。可用于多種纖維織物柔軟整理,手感滑軟。聚氧乙烯醚硅油是親水防靜電劑,用于滌綸織物柔軟整理,手感柔軟、活絡。
(2)脂肪酸衍生物:將硬脂酸反應生成鈉鹽(肥皂)、氨鹽(絲光膏),或高級脂肪酰胺(軟片),無需外加表面活性劑,用熱水直接調漿,用作多種纖維織物柔軟整理,通用、廉價,手感柔軟。
脂肪烴咪唑啉類柔軟劑,整理手感滑爽,可增進織物彈性,價格稍高于軟片。
(3)蠟:石蠟(C16-36的烷烴)、12碳以上的高級脂肪醇、低壓聚乙烯,都具有蠟的性質。
石蠟,熔點在55℃上下,加溫熔化后與表面活性劑(或鈉皂)調和均勻再分散于水,其整理織物手感松軟。對熔點較高的低壓聚乙烯合成蠟(熔點120℃上下),細粉經沸騰床氧化處理,使微粒表面分子生出若干親水基(羥基、羧基等),它可以在不加或少加表面活性劑的情況下制成乳狀液。用于纖維素織物樹脂整理添加,可顯著提高織物撕破強力保留率,整理織物手感柔軟、豐滿。
2、聚醚酯:以乙二醇-聚乙二醇-對苯二甲酸二甲酯為原料,嵌段共聚而成的聚醚酯樹脂,分子中聚乙二醇鏈親水,能在不外加表面活性劑的情況下,將聚合物磨細打漿成為乳狀液。用作滌綸織物柔軟和防靜電整理,整理效果比較耐久。
(二)粘合劑與涂層劑
粘合劑用于織物涂料染色、印花,整理(香味、抗菌、遠紅外、負離子整理),能將顏料、微膠囊,金屬、礦石粉體等粘著在纖維織物上;涂層劑則用于防水、阻燃、環境隔離、防羽絨、仿皮、裝飾等涂層加工。在這些產品中,有聚丙烯酸酯乳液、聚氨酯和乳膠(橡膠半成品乳液)。它們大多是乳液聚合而成的乳狀液,就性價比而言,聚丙烯酸酯乳液稍具比較優勢,但在乳液穩定性,成膜牢度等方面問題也不少,值得研究改進。
二、乳液質量
(一)顆粒大小
用于織物加工的乳狀液,顆粒
因此,印染加工用乳狀液的顆粒大小,大多掌握在1µm以下。顆粒小則滲透好,分布勻,牢度好。
(二)分散穩定性
乳狀液的穩定性考核有:原液離心試驗(3000rpm·30分鐘)檢查有無沉淀或飄浮物;織物用工作液配方連續重復循環浸軋,檢查有無結皮或析膠;前者考核乳狀液儲存穩定性,后者考核與其他助劑混用時的工作液穩定性。以上兩種方法,配上顯微鏡觀察更好。
我們曾在自己開發的樹脂乳液產品中檢測過,凡在織物加工中發生顆粒變粗的工作液,不僅加工質量降低,有時還會出現加工疵點,如:軋輥結皮、皮屑粘在布面上等。
(三)耐洗牢度
有時為了保證乳液分散穩定性,表面活性劑用量偏高,但是,表面活性劑越多,整理效果的耐洗性越差。對于涂層劑,粘合劑等成膜物質來說,殘留在膜中的表面活性劑,易使膜吸水溶脹,水洗與涮洗牢度不高。
用前,可取乳液烘干成膜,目測透明度,并將樹脂膜置于水中溶脹,測定增重。對加工織物成品,可檢驗涮洗牢度。
三、乳狀液理論研究概況
以聚丙烯酸水性涂層劑(乳狀液)為例,在成膜性,堅固、平滑、光亮、手感干爽、耐水(洗)等方面,都難以達到溶劑型樹脂水平。主要原因是乳液產品中有表面活性劑。聚丙烯酸粘合劑,同樣有耐水性問題,綜合表現為涮洗牢度不高。
在合成中添加羥甲基丙烯酰胺自交聯單體,是可以提高成膜和耐洗性。但隨之而來的是,處理織物手感相對較
水性樹脂在加工質量上的缺陷,有無可能解決?
近二十年來有過不少探索,但至今未有明確的方向性結論,本文試圖對此作些探討。因個人學識有限,不當之處,請批評指正。
(一)聚丙烯酸酯乳液的早期制備方法和理論[1-2]
將表面活性劑溶解于水,加入反應釜。再加入多種丙烯酸酯單體、引發劑,一般是總量的1/3。在一起攪拌形成乳液。升溫至75℃后,開始分別均勻滴加其余的2/3單體和引發劑水溶液,進行聚合反應。
早期研究者認為:表面活性劑是既親油又親水的兩親化合物。在水中溶解,達到一定濃度時,分子間會發生締合,形似絮狀膠團,親油基在內,親水基在表,溶液出現混濁,此所謂臨界膠團濃度(critical micelle concentration簡稱cmc,用克分子濃度表示),各個表面活性劑的cmc各不相同。
早期理論研究者還認為:丙烯酸酯單體可溶于有機溶劑而微溶或難溶于水,表面活性劑膠團內核是親油區,對單體有增溶作用,在后續滴加過程,單體在不斷增溶到膠團內核進行聚合,直至將膠團完全充盈。
提出膠團理論的學者,繪制了膠粒模型圖:在O/W相乳液中,表面活性劑在膠團表面圍起一層單分子薄膜,親水基向外親油基向內,將親油分子包裹在膠團內核,膠團的大小取決于表面活性劑的親油基長度。親油基越短,膠團越小。表面活性劑分子化學組成決定膠團大小。
或許可以說,如果不能大大縮短表面活性劑的親油鏈長度,就不能實現乳狀液細化。
(二)實踐對膠團理論的沖擊
1、膠團概念的修正
七十年代,有人提出新的乳液合成方法,并獲得專利,他把所有的料都加在一起,乳化后分出1/3在反應釜內升溫至75℃后,滴加其余的2/3混合乳液。這個方法,使乳液質量得到改善,單體殘留量減少,織物處理效果穩定,而且合成操作方便。這個操作方法,實際上對膠團概念是一個修正;①膠團內核中的單體并非一定要在合成中逐漸溶入,也可以是一次性到位;②水溶性引發劑過硫酸
2、膠團概念的質疑
七十年代,有人在實驗中觀察到:在溶有油酸鉀的水中注入苯,經過攪拌可以得到白色乳狀液,再滴入正已醇時,乳狀液會變成透明狀液體,苯珠的分散粒徑小于0.1µ(<100nm)。人們把它稱為微乳。微乳的特點是,①分散體粒徑小于0.1µ;②乳狀液無色透明;③體系有自乳化能力,乳化時無需太多攪拌,存放中,永不聚集沉淀。
膠團理論認為:膠團直徑至少應大于表面活性劑親油基鏈長的雙倍。幾十年來,粒徑為1µ左右的乳狀液,我們都視為正常。其實,油酸鉀的親油基鏈長是54 Ǻ(5.4nm)。即使按照膠團法則,膠團直徑也應該是在20nm上下。為什么不加正已醇之前,乳液呈乳白色,而加了正已醇之后,乳液變成無色透明,分散度提高了幾十倍。
近幾年,持有膠團觀點的學者,把醇類對乳粒的細分現象,仍解釋為:醇類分子參與了膠團膜的組成,長短不一的親油基間隔排列,提高了膠團膜的牢度和彈性…。但是,事實清楚,膠團膜雜化并不是細分乳粒的根本原因。過去,用混合表面活性劑制備乳狀液的許多例子,從來沒有像正已醇那樣令人括目相看。
(三)表面壓力理論[3]
表面和界面兩詞并無原則區別,不過習慣上將非氣相與氣相之間的分界面稱為表面,而將兩個非氣相之間的分界面稱為界面。在微乳實驗中發現:醇的加入,使乳液系統的界面張力,也就是油水相的界面張力下降到零。
在兩個液相之間的界面張力,隨液體分子親油、親水性的不同而不同。能相互混溶的,相互間的界面張力等于零。
表1 幾種液體的表面張力及其與水之間的界面張力
| 液體 | γ0 | γi | 液體 | γ0 | γi |
| 水 | 72.8 | - | 乙醇 | 22.3 | - |
| 苯 | 28.9 | 35.0 | 正辛醇 | 27.5 | 8.5 |
| 醋酸 | 27.6 | - | 正已烷 | 18.4 | 51.1 |
| 丙酮 | 23.7 | - | 正辛烷 | 21.8 | 50.8 |
| 四氯化碳 | 26.8 | 45.1 | 汞 | 485 | 375 |
注:γ0——表面張力;γi——液體與水之間的界面張力
表面張力、界面張力都
表面活性劑親水也親油。溶于水時,分子中的親油基受水分子排斥,富集于水面,指向界外;溶于油時,分子中的親水基受油排斥,富集于油面,指向界外;湍流行為,有可能使表面活性劑分子穿越油水界面。美國阿特拉斯公司采用分布系數實驗方法,將表面活性劑投入水/油(辛烷)混合液中,靜置平衡后,分別測定其在油水兩相中的各自濃度。計算出表面活性劑的親水/親油比(Hydrophile Lipophile Balance)HLB,根據的就是這個道理。
親油性大于親水性的表面活性劑,用于在油中乳化水,親水性大于親油的,用于在水中乳化油。親油與親水性比較接近的,水多時在水中乳化油,油多時在油中乳化水。在所處環境兩性相當時,能攜水珠入油,也能攜油珠入水。此時,出現界面張力接近于零。
兼有親水、親油基的表面活性劑分子,不管是在水中還是在溶劑中,其中的相異性基團會受到溶劑相分子的排斥和擠壓,祗有當它位于液體表面或界面時,斥力才得以解除,但是表面上活性分子密度加大時,‘表面壓力’增大,表面壓力和表面張力是相反的作用力,相同分子間由擁擠變為表面擴張時,界面張力有可能降為零,甚至是負值。
表面張力極小的液體,可以被高度分散,即使有集結的機會,也會被再度分散。這種‘表面壓力’較大的,載有表面活性物質的液珠,有條件進一步分散,形成微乳或超細微乳。這一推論基于Schulman實驗[4], Prince認為輔助劑滲入界面后,可使界面壓力迅速增加。例如:在鈉皂的活性劑中,加入醇后,界面壓力從15mN/m增加到35mN/m,這樣也可獲得負界面張力。所以體系的界面可以無限擴大,從而使油在水中的分散度提高,最終
界面壓力理論,推進了微乳狀液的開發。
近年來,微乳產品有了增加,作為助乳化劑應用的有:中級醇(C4-C8)、正己醇[5],正十二醇[6],十六烷基醇[7],也有提出:選用中等鏈長的醇,或鏈長為乳化劑1/2的助表面活性劑[8],也有用異辛甾烯醇[9],卵磷酯,辛酸一酯、二酯[10]作為助乳化劑制得微乳狀液。
八十年代初,我們在真絲綢洗可穿整理研究中也曾發現,極難乳化的水不溶性環氧樹脂(乙二醇縮水甘油醚),用了助乳化劑以后,無須強力攪拌,便可制得透明的樹脂微乳狀液。
微乳的發現和理論研究還只是剛剛開始,可以相信,它將使乳狀液制備和應用技術得到進一步發展。
四、無乳化劑乳狀液
另一個值得重視的是‘無乳化劑乳狀液聚合’技術,前面我們已經談到過表面親水化處理,依靠表面親水基的作用,在不用或少用表面活性劑的條件下制備乳液,有如:氧化聚乙烯乳液、聚醚酯乳液,還有水解PVAc乳液、皂化聚丙烯酸酯乳液等等。
有介紹[11]:乳液狀的分散體系用于涂料和粘合劑時,造成損害涂膜耐水性、表面光澤性和流平性等的最大原因,多數是由于所吸附的乳化劑所致。由廢液造成的公害等也起因于殘留的乳化劑水溶液。基于上述兩點,迫切期望得到在沒有乳化劑的條件下也能夠穩定的乳液。現正在以親水性單體的乳化聚合及其乳液共聚。看來,無乳化劑乳狀液不僅是印染行業的追求,也是建筑涂料、油漆、皮革等行業的共同追求。
有人發現[12],對于穩定的分散極細的聚醋酸乙烯的乳膠,在室溫下放置,使之簡單的皂化,就可以從表面上變化成聚乙烯醇,然后,就可以得到以聚乙烯醇作為分散膠體的極為穩定的聚醋酸乙烯乳液。
松本等[13]用聚丙烯酸乙酯乳液進行堿皂化,這時皂化反應以微小的顆粒開始,通過電泳及吸光度的研究,確認了生成的羧基全部都在顆粒的表面上。
可以設想,將丙烯酸等水溶性單體用于
很早以前松本教授等[14]在乳液共聚條件下比較了甲基丙烯酸與丙烯酸,確認用丙烯酸的場合多分布于聚合物顆粒表面上,而用甲基丙烯酸時則多分布于顆粒的內部。
Sinclair-Koppers公司對此進行過詳細的研究工作,其中有關無乳化劑及穩定乳液方面,G.W.Ceska [15]介紹了關于苯乙烯-甲基丙烯酸體系的乳液共聚的兩段聚合法。即;在第一段中,在低pH值條件下進行羧酸化,以制備出種子乳液,而第二段,在維持高pH值下使之離子化,并進一步形成能在高濃度下保持穩定的無乳化劑乳液。
進行無乳化劑乳液的研究的,還有岡谷、佐古田等人[16]值得關注。
五、結語
1、對織物處理要求來說,顆粒細,表面活性劑含量少,穩定性好的乳狀液整理劑,可以獲得好的整理效果和綜合質量。
2、微乳,可以滿足乳粒細度要求,但乳狀液中表面活性劑含量較高;無乳化劑乳液能達到環保,減少污水排放的要求,乳液穩定性較好,但乳粒較粗。
3、用表面壓力理論可以解釋微乳現象,對進一步開發微乳產品提供理論依據。試制無表面活性劑微乳,意義重大,是我們提高紡織產品品位,節能減排的長期目標之一。
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